基于PSoC4的空间矢量脉宽调制筹划深度长文细致研究_矢量_电压

矢量掌握(FOC)是空间矢量脉宽调制最主要的运用之一。
矢量掌握，别号磁场定向掌握，其特点是通过坐标变换技能把互换电机定子电流分解为转矩和磁通分量，从而实现像直流电机一样的掌握电机的输出转矩和磁通。
矢量掌握广泛运用于永磁同步电动机(PMSM)的掌握。

目前市场上较为常用的FOC方案会采取DSP、ASIC或通用MCU进行掌握。
DSP运算能力高，实时性强，常用于FOC掌握，但存在着本钱较高的缺陷。
ASIC将FOC固化在芯片内部，无需编程，但会带来算法无法修正、不足灵巧的缺陷。
通用MCU种类较多，平台繁芜。
常用的几种方案一样平常至少还须要2个外部运放完成电流采样。

其余还有一种基于PSoC4的方案，该方案利用PSoC4内部丰富的数字及仿照资源及独占的可编程特性可实现高度集成化、低本钱的矢量掌握。
图1显示了PSoC4矢量掌握(无传感器)硬件掌握框图。
PSoC4内部集成四个独立的可支持中心对齐、互补的可编程去世区及同步ADC操作的TCPWM模块，可用于SVPWM输出；一个支持零开销通道切换功能的12位1Msps ADC，用于电流采样；两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器，可省却两个外部运放。
丰富的片内资源可将矢量掌握主控电路所需芯片集成到一片芯片中，实现高度集成化。

图1：PSoC4 无传感器FOC硬件掌握框图。

相对付其他办理方案，基于PSoC4的无传感器FOC办理方案具有以下特点上风：

SVPWM是近年景长的一种比较新颖的调制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能靠近于空想的正弦波形。
与电压正弦PWM不同， SVPWM法是从电机的角度出发的，着眼于如何使电机得到幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通, 模型布局大略，便于数字化实现。
与传统电压正弦PWM比较，该掌握方法具有使得电机转矩脉动降落、电流波形畸变减小、直流电压利用率提高的优点。

图2是一种范例的三相逆变器的构造， Va, Vb,Vc是逆变器的电压输出，Q1到Q6是6个功率晶体管，它们分别被a，a’，b，b’，c，c’这6个掌握旗子暗记所掌握。
当逆变桥上半部分的功率管与下半部分的功率管为互补关系，即当a为1时，a’为0。

图2：三相逆变器构造图

从图3可以看出，开关变量矢量[a，b，c]有8个不同的组合值，即逆变桥上半部分的3个功率晶体管的开关状态有8种不同的组合，故其输出的相电压和线电压有8种对应的组合。
开关变量矢量[a、b、c]与输出的线电压和相电压的对应关系见表1。

图3：基本电压空间矢量

在(α,β)坐标系中，输出的三相线电压可以用下面等式表示：

公式1

公式2

由表1可知，功率晶体管的开关状态的组合一共只有8个，则在(α,β)坐标系中的Vsα、Vsβ也有8种组合。
Vsα、Vsβ是空间矢量分解得到的子轴分量，它们的对应关系如表2所列。
由此可得到8个基本电压空间矢量，分别为 U0, U60,U120,U180, U240, U300, 0000和0111。
个中0000和0111为零矢量。
这六个非零基本电压空间矢量将(α,β) 坐标平面分为六个扇区，如图3所示。

由8个基本电压空间矢量可以合成任意定子电压矢量。
如图4所示，以U0, U60扇区为例，若在一个PWM周期T内，同时输出T1韶光U0矢量和T2韶光的U60矢量，则由矢量(T1/T)U0，(T2/T)U60可以合成给定的参考电压矢量Uout。

图4：由基本电压空间矢量合成的子电压矢量。

由图4可得：

公式3

公式4

因此，

公式5

公式6

可得 T1 ，T2

公式7

公式8

公式9

公式10

由此可知SVPWM实现步骤：先通过Uout判断出电压矢量所在扇区，再根据相邻的电压矢量及Uout打算出两个基本矢量浸染韶光；末了根据两个基本矢量浸染韶光打算出PWM开关韶光及占空比。

>>>>基于PSoC4的设计实例

我们利用TCPWM模块来实现SVPWM。
TCPWM模块供应了电机掌握常用的中心对齐、边沿对齐PWM，并可实现严格的同步功能。
支持灵巧的去世区掌握，并可与ADC同步。
TCPWM包括四个16位的周期长度用户可编程的计数器，这些计数器之间可以进行功能同步。
每个模块包含一个捕获寄存器、一个周期寄存器以及一些比较寄存器。
每个模块都支持互补的可编程的去世区，还支持一个关断输入旗子暗记来强制输出旗子暗记进入预先设定的状态。

如图5所示，从PSoC Creator中拖放三个TCPWM模块，配置TCPWM的事情模式为中心对齐，带去世区的双路互补输出模式。
三对PWM输出可分别作为U、V和W相桥臂驱动旗子暗记(如PWM_U_Upper, PWM_U_Lower)。
同时在任一TCPWM模块的UN事宜输出(下溢旗子暗记，用来指示计数器向下计数达到“0”)触发PWM中断(PWM_MainLoop_ISR)，用于进行FOC打算并更新占空比。

图5：三相PWM事理图

“PWM_UPDATE”旗子暗记可在UN事宜时触发TCPWM的Switch事宜，周期和比较寄存器上的值会自动与缓存周期和比较器寄存器的值改换。
利用此特性，我们可以在TC事宜之前更新缓存寄存器，然后用同一旗子暗记触发不同PWM的Switch事宜，由此担保各路PWM更新的严格实时同步。

图中的掌握寄存器(PWM_Ctrl_Reg)还可以同时使能或禁止六路PWM输出。
PSoC灵巧的可编程特性可轻松实现了三对严格同步的互补对称PWM及其更新逻辑，这样可以使工程师将更多的韶光专注于算法层面，供应产品的竞争力。

主控程序首先会初始化和配置PSoC4的内部资源，然后进入主循环。
主循环紧张检测用户的起停命令，决定电机的运动状态；并完成一定的调试输出功能。
FOC主算法全部在PWM中断中完成，紧张完成坐标变换，SVPWM输出及更新占空比等操作。
中断程序会人工天生一个周期性变革的角度，用于电机开环运行。
图6显示了主控程序流程图。

图6：程序流程图

>>>>实验结果

在PSoC Creator环境下编译工程，并连接PSoC4开拓板，三相全桥驱动板与PMSM电机，通电后电机可正常运行，图7电机相电流波形。
从测试结果可以看出，电流波形平滑，正弦度很好。

图7：相电流波形图

>>>>小结

上述实例先容了如何在PSoC4 平台上实现空间矢量脉宽调制。
PSoC4针对电机掌握做出了富有特色的优化。
凭借片内丰富的资源及高度的灵巧性，用户可以轻松设计出高度集成化、低本钱、性能优胜的PMSM矢量掌握系统，提高产品的核心竞争力。